Устройства охлаждения для электроники

8 ноября 2023

Елена Бударина (КОМПЭЛ)

Компэл предлагает различные устройства охлаждения для электроники, выпускающиеся компаниями SUNON, JIULONG, Foreconи KLS. Среди них – радиаторы и вентиляторы различных типов, аксессуары для вентиляторов, тепловые трубки, испарительные камеры и модули Пельтье.

Любое электронное устройство не является эффективным на 100%, поскольку при работе выделяет тепло. Увеличение количества электронных компонентов на плате приводит к росту тепловыделения, что значительно повышает вероятность выхода из строя этих электронных устройств и систем. Таким образом, любой компонент или система, выделяющие тепло, которое может отрицательно повлиять на работу устройства, должны охлаждаться.

Среди охлаждающих устройств для электроники по эффективности и экономичности лидируют радиаторы, вентиляторы и модули Пельтье. Они могут использоваться по отдельности, но для максимальной эффективности их лучше объединять.

При выборе охлаждающего устройства необходимо учитывать максимально допустимую температуру компонентов (определяется суммарной потерей мощности) и условия эксплуатации.

Радиаторы – пассивные устройства охлаждения, предназначенные для отвода тепла от электронных устройств (например, биполярных транзисторов, полевых МОП-транзисторов, линейных регуляторов, корпусов BGA, а также светодиодных светильников) в окружающую среду благодаря увеличению площади поверхности (таблицы 1 и 2).

По конструкции различают радиаторы:

• ребристо-пластинчатые (увеличение площади рассеивания достигается за счет продольных или поперечных ребер);
• игольчатые-штыревые (достаточная площадь рассеивания создается множеством различных по длине и высоте штырей-«иголок»);
• пластинчато-штыревые.

Ребра или штыри могут располагаться с одной или с двух сторон основания.

Таблица 1. Типы радиаторов

Тип	Внешний вид	Описание
Ребристые радиаторы		Эффективны при естественном охлаждении, но лучше работают с принудительным охлаждением, в паре с вентилятором.
Игольчатые (штыревые) радиаторы		Наибольшая эффективность по теплоотдаче при естественном охлаждении. При равных габаритных размерах на 70…100% эффективнее ребристого радиатора.
Пластинчато-штыревые радиаторы		Эффективны при естественном охлаждении. Подходят для приложений с низким энергопотреблением.
Пластинчатые радиаторы для CPU		Предназначены для использования в серверах  для стабильного охлаждения процессора и бесперебойной работы сервера. Эффективнее работают с тепловыми трубками и испарительными камерами.

Наиболее широко используемыми материалами для изготовления радиаторов являются медь и алюминий, обладающие чрезвычайно высокими значениями теплопроводности. При этом алюминий – более распространенный выбор, поскольку медь дороже и тяжелее. Для увеличения эффективности теплового излучения на поверхности радиатора обычно выполняется матовое покрытие путем оксидирования или окрашивания эмалями черного цвета.

Радиатор располагают так, чтобы он соприкасался с охлаждаемым объектом. Небольшие легкие радиаторы крепятся с помощью термоленты или зажима, в то время как для более крупных радиаторов требуются нажимные штифты или винты. Электрическая изоляция корпуса прибора от радиатора чаще всего осуществляется с помощью диэлектрических прокладок (теплопроводящих подложек). Изоляционная прокладка заполняет воздушный зазор между компонентом и радиатором и помогает передавать тепло быстрее и эффективнее.

Таблица 2. Преимущества и недостатки радиаторов

При выборе радиатора необходимо учесть значение теплового сопротивления, размер и форму радиатора, способ монтажа и прочее. К тому же, требуется выполнение определенных расчётов для более точного выбора радиатора под конкретную ситуацию.

Наибольшая эффективность радиатора достигается при использовании конвекции, то есть переноса рассеиваемого радиатором тепла движением воздуха. Конвекция бывает естественной (радиатор располагается с внешней стороны корпуса) и вынужденной (перенос тепла внутри корпуса осуществляется с помощью вентилятора).

Вентиляторы широко используются как по отдельности, так и в группах. Принцип их работы основан на эффективном охлаждении объекта движущимся воздухом, поглощающим тепло от объекта, и на дальнейшей передаче этого тепла в другое место для рассеивания.

По направлению воздушного потока вентиляторы делятся на: осевые и центробежные.

Осевой (аксиальный) вентилятор (рисунок 1) представляет собой цилиндрический корпус (наличие корпуса зависит от конструкции), в центре которого на вращающейся оси расположена крыльчатка с наклонными лопастями. При вращении лопастей воздух втягивается с одной стороны и выталкивается в той же плоскости с противоположной стороны.

Поток воздуха, создаваемый осевыми вентиляторами, имеет низкое давление. Сочетание низкого давления с большим потоком воздуха идеально подходит для охлаждения оборудования и помещений, поскольку поток воздуха равномерно распределяется в определенной области.

Осевые вентиляторы также могут работать как вытяжные.

Рис. 1. Осевой (аксиальный) вентилятор

Области применения осевых вентиляторов: бытовые приборы, медицинское оборудование, системы телекоммуникации, автотехника, охлаждающие установки, преобразователи частот и так далее.

Центробежный (радиальный) вентилятор (рисунок 2) конструктивно состоит из кожуха в форме спирали (улитки), в котором находится крыльчатка – полый цилиндр с лопастями, расположенными параллельно стенкам кожуха. При вращении колеса воздух через входное отверстие попадает в прорези между лопастями и, благодаря центробежной силе, движется по спирали корпуса, а затем выходит под углом 90 градусов (перпендикулярно) к воздухозаборнику.

Центробежные вентиляторы производят постоянный поток воздуха под высоким, по сравнению с осевыми вентиляторами, давлением, но перемещают меньшие объемы воздуха.

Крыльчатка вентилятора может иметь лопатки, загнутые вперёд (прямо-загнутые) или назад (обратно-загнутые) относительно направления вращения.

Вентиляторы с загнутыми вперёд лопатками могут работать только в спиральном корпусе – «улитке».

Вентиляторы с загнутыми назад лопатками не требуют обязательного наличия корпуса, их размещение может быть простым и компактным. Плотная струя воздуха, забираемая из магистрали, затем рассеивается в стороны.

Рис. 2. Центробежный (радиальный) вентилятор

Центробежные вентиляторы выбрасывают воздух из кожуха, что позволяет им нацеливаться на определенную область. Это делает их более подходящими для охлаждения определенной части электронного прибора, например, силового полевого транзистора, DSP или FPGA.
Сравнение свойств осевых и центробежных вентиляторов приведено в таблице 3.

Таблица 3.  Сравнение свойств осевых и центробежных вентиляторов

Модификациями радиальных и осевых конструкций считаются диагональные и диаметральные вентиляторы.

Диагональный вентилятор (рисунок 3) относится к гибриду осевых и радиальных вентиляторов, и имеет конструктивные особенности корпуса. Первоначально всасывание воздуха происходит вдоль оси, а из-за конической формы кожуха воздух меняет движение на радиальное.

Эти вентиляторы обладают высокой скоростью обдува при относительно высоком давлении.

По сравнению с осевыми вентиляторами такого же размера и сопоставимой мощности, диагональные вентиляторы работают гораздо тише.

Рис. 3. Диагональный вентилятор

Диагональные вентиляторы используются там, где требуется интенсивное и непрерывное охлаждение. Как правило, это оборудование с высокой концентрацией конструктивных элементов. Устройства идеально подходят в случаях, когда необходимо обдуть большую площадь.

Диаметральный (тангенциальный) вентилятор (рисунок 4) состоит из удлиненного корпуса, оснащенного диффузором и патрубком, и рабочего колеса в виде барабана с лопатками, загнутыми в сторону вращения.

Его действие базируется на двукратном перемещении воздуха перпендикулярно оси вращения цилиндра.

Кожух диаметральной модели напоминает корпус радиального вентилятора с той разницей, что в тангенциальном вентиляторе воздуховод расположен вдоль боковой стороны крыльчатки.

Такие вентиляторы отличаются высокой пропускной способностью и низким уровнем шума. Особая вытянутая форма позволяет равномерно распределять воздух по охлаждаемой поверхности.

Рис. 4. Диаметральный (тангенциальный) вентилятор

Такие вентиляторы применяются в системах, где напор воздуха не важен – это воздушные завесы, кондиционеры, фанкойлы и другие подобные устройства.

При выборе вентилятора важным фактором является тип подшипника, используемого в его конструкции. Наиболее распространенными являются подшипники скольжения и шариковые (таблица 4).

Таблица 4. Сравнение подшипников скольжения и шарикового

Подшипники скольжения (sleeve bearing)	Шариковые подшипники (ball bearing)
Проще и дешевле	Сложнее и дороже
Крепкая конструкция	Уязвимы для внезапных ударов и вибраций
Вначале практически бесшумны, далее сильно шумят	Более высокий уровень шума независимо от срока эксплуатации
Способны развивать меньшие скорости (до 3000 об/мин), из-за чего их эффективности значительно ниже	Скорость от 3000 об/мин
Подвержены более быстрому износу, что приводит к колебанию, шуму и проблемам, связанным с трением	Не страдают от проблем неравномерного износа и трения, могут работать под любым углом
Ресурс до 35 тысяч часов (в идеальных условиях) На практике служат в два-три раза меньше	Ресурс от 59 до 90 тысяч часов
При повышении окружающей температуры на 20°С срок эксплуатации подшипника снижается в 3 раза	Нечувствительны к температуре

В зависимости от применения вентиляторы бывают с питанием от переменного и постоянного тока. Они доступны всевозможных размеров, с разными скоростями и различной занимаемой площадью.

Cовременные осевые вентиляторы постоянного тока имеют стандартную функцию защиты, называемую «автоматический перезапуск». Если двигатель вентилятора не может вращаться, эта функция автоматически отключает ток питания, приводящий его в движение, во избежание перегорания.

Обнаружение вращения, которое также служит датчиком блокировки, является дополнительной функцией управления, реализованной в некоторых вентиляторах. Для вентиляторов, требующих более сложного уровня управления, можно использовать схему широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Рабочий цикл (коэффициент включения/выключения) входного ШИМ-сигнала определяет скорость вращения вентилятора, которая измеряется с помощью тахометра. Сигналы ШИМ и тахометра подаются на вход микроконтроллера, который формирует сигнал для непрерывной адаптации работы вентилятора к изменению состояния системы, что повышает эффективность работы.

EC-Вентиляторы (рисунок 5) – вентиляторы, созданные на базе EC-двигателей.

Двигатель EC (электронная коммутация) – бесколлекторный синхронный двигатель со встроенным электронным управлением. Он сочетает в себе преимущества двигателей переменного и постоянного тока, используя лучшее из обеих технологий. Электродвигатель EC работает от постоянного напряжения, но от сети переменного тока. Эта конструкция не только обеспечивает энергосбережение, но и помогает контролировать скорость двигателя. Сниженное энергопотребление гарантирует снижение эксплуатационных расходов.

Преимущества EC-вентилятора:

• уменьшенное энергопотребление за счет высокого КПД;
• более высокая производительность при меньших габаритах и потреблении электроэнергии;
• встроенная электронная система управления;
• низкие шумовые характеристики;
• большой срок бесперебойной работы.

Рис. 5. ЕС-вентилятор

Данные вентиляторы применяются в устройствах, где от изделия требуется хорошая управляемость и экономичность: в холодильных/испарительных системах, в серверных залах, кондиционерах медицинского назначения, для вентиляции бассейнов и жилых помещений, вытяжной вентиляции и так далее.

Области применения вентиляторов:

• Точечное охлаждение малогабаритных объектов, например, процессоров, силовых транзисторов, тиристоров, диодов, ламп и т.д.
• Охлаждение небольших модулей и блоков, например, блоков питания компьютеров, UPS, инверторов, зарядных устройств, усилителей.
• Охлаждение офисной техники, сварочного оборудования, медицинской техники, игровых автоматов и пр.
• Использование в теплонагревательных приборах, холодильных и кондиционерных установках.
• Автомобильные кондиционеры и отопители.
• Охлаждение мощных передающих устройств и систем связи.

Выбор вентилятора зависит от совокупности технических характеристик. Прежде всего, необходимо выбрать:

• типоразмер и геометрию;
• тип питания и напряжение;
• требуемый поток воздуха/производительность;
• тип подшипника;
• дополнительные функции управления;
• уровень шума;
• рабочий ресурс вентилятора.

Аксессуары для вентиляторов

Для вентиляторов, работающих в запыленных или загрязненных средах, может потребоваться использование дополнительной фильтрации и/или защиты (рисунок 6).

Рис. 6. Аксессуары для вентиляторов

Термоэлектрические модули Пельтье (рисунок 7) – это полупроводниковые твердотельные устройства, принцип действия которых основан на эффекте Пельтье (охлаждение элемента при прохождении через него электрического тока).

Модуль Пельтье представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических) с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами, состоящими из двух разнородных полупроводниковых элементов с n- и p-типами проводимости. Конструкция выполнена таким образом, что в зависимости от полярности каждая из сторон модуля контактирует либо p-n-, либо n-p-переходами. В зависимости от направления движения электронов и, соответственно, тока, происходит нагрев или охлаждение участка полупроводника.

Преимущество данных модулей по сравнению с вентиляторами состоит в их бесшумности, высокой надежности, отсутствии вибрации, возможности каскадного соединения, а также в возможности перехода из режима охлаждения в режим нагревания за счет изменения направления тока.

Рис. 7. Принцип работы термоэлектрического модуля Пельтье

Модули Пельтье применяются в компьютерной технике, радиоэлектронных устройствах, медицинском и фармацевтическом оборудовании, бытовой технике, климатическом оборудовании.

Комбинации радиаторов с вентиляторами, используемые в современных приложениях, могут обеспечить высокоэффективное рассеивание тепла в окружающую среду, но основная задача состоит в том, чтобы доставить тепло к теплообменнику с как можно меньшим изменением температуры. Эффективным решением этой задачи является применение тепловых трубок и испарительных камер, которые могут передавать большие тепловые нагрузки с небольших площадей с крайне малой разницей температур.

Тепловые трубки (Heat Pipe) (рисунок 8) – это элементы системы охлаждения, которые могут быстро передавать тепло от одной точки к другой по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

Тепловая трубка представляет собой закрытую трубку из теплопроводящего металла (например, меди), с внутренней стороны которой нанесён слой материала с микрокапиллярами. Трубка наполняется специальной легкокипящей жидкостью. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

К основным преимуществам тепловых трубок относятся простота конструкции; отсутствие подвижных деталей и бесшумность работы; малые размеры и вес; отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя; надежность работы и высокая эквивалентная теплопроводность.

Рис. 8 Тепловая трубка

Тепловые трубки применяются в  современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ и чипсетов в компьютерах и ноутбуках, в составе смартфонов, в различных приборах и системах электронной и медицинской техники, в энергетике и химической отрасли.

Испарительные камеры (Vapor Chambers) (рисунок 9) имеют тот же принцип работы, что и тепловые трубки, но эффективность и скорость переноса тепла у них намного выше, так как камера получает тепло с небольшого по площади источника и распределяет его на всю свою поверхность.

Рис. 9. Испарительная камера

Испарительные камеры широко используются на рынке высокопроизводительных компонентов охлаждения, включая серверы, средства связи, высокопроизводительные видеокарты.
Сравнение свойств тепловых трубок и испарительных камер приведено в таблице 5.

Таблица 5. Сравнение свойств тепловых трубок и испарительных камер

В настоящий момент в линейке поставок КОМПЭЛ имеется несколько компаний, покрывающих потребность в устройствах охлаждения для электроники (таблица 6).

Таблица 6. Устройства охлаждения для электроники, поставляемые компанией КОМПЭЛ

Устройство/Бренд	SUNON	JIULONG	FORCECON	KLS
Осевые вентиляторы DC
Осевые вентиляторы AC			–
Центробежные вентиляторы DC
Центробежные вентиляторы AC			–	–
Осевые вентиляторы EC			–	–
Центробежные вентиляторы EC	–		–	–
Защитные решетки и фильтры для вентиляторов			–
Тепловые трубки и испарительные камеры		–
Радиаторы		–